孫義春，孫 莉

（1.大慶鉆探工程公司鉆井二公司，黑龍江大慶 163000；2.大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江 大慶 163000）

1 昌探1 井基本情況

昌探1 井是一口部署在松遼盆地古中央隆起帶的大斜度定向井，地質(zhì)目標(biāo)為花崗巖淋濾型風(fēng)化殼和斷層破碎帶。設(shè)計(jì)完鉆斜深5086.90 m，垂深3906.70 m，最大井斜角81.95°，水平位移1725.10 m，水平段長(zhǎng)1479.82 m，實(shí)際完鉆井深4900.00 m?？碧姐@井的目的是通過大斜度井探索裂縫發(fā)育帶，尋找風(fēng)化殼好儲(chǔ)層，同時(shí)兼探上覆登婁庫組及基底內(nèi)的含氣性。其目的層為基底、探泉頭組一段、登婁庫組及營城組。由于松遼盆地基底構(gòu)造特征極為復(fù)雜，受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，斷層類型多樣、組合復(fù)雜，增加了鉆井設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)施工的難度［1］。

2 技術(shù)難點(diǎn)

（1）預(yù)計(jì)本井將于嫩四段中部約830 m，青二、三段上部約1620 m 各鉆遇一斷層，施工時(shí)要注意防止井斜、井漏等工程事故的發(fā)生。

（2）本井區(qū)鄰井有多口井發(fā)生卡鉆、遇阻、井漏等與地質(zhì)有關(guān)的事故復(fù)雜情況。三開存在漏、噴、塌卡同存的風(fēng)險(xiǎn)，因此本井應(yīng)嚴(yán)格控制鉆井液性能并加強(qiáng)井口監(jiān)測(cè)，降低事故復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)程度。

（3）營城組地層破裂壓力系數(shù)最低僅1.4，地層承壓能力低，防漏與防氣竄矛盾突出，應(yīng)從固井工藝上解決防漏防竄問題。

（4）二開葡萄花油層存在高壓注水，對(duì)井控安全和鉆井液密度要求更高。

（5）基底巖性復(fù)雜，處裂縫發(fā)育區(qū)，易井漏。

（6）基底巖石硬度大，可鉆性差，研磨性強(qiáng)，鉆井速度慢［2］。

（7）大斜度、高研磨性井段取心，取心難度較大。

3 鉆井設(shè)計(jì)

3.1 地質(zhì)情況

目的層基巖巖性以花崗巖為主，花崗巖風(fēng)化殼儲(chǔ)集空間主要為裂縫和溶蝕孔，以裂縫為主，巖心孔隙度一般在0.1%～4.8%之間。本井地質(zhì)目標(biāo)為花崗巖淋濾型風(fēng)化殼和斷層破碎帶。該區(qū)鄰井鉆井顯示花崗巖儲(chǔ)層非均質(zhì)性較強(qiáng)、儲(chǔ)層發(fā)育情況尚不清楚，儲(chǔ)層發(fā)育情況存在不確定性［3］。同時(shí)，由于本區(qū)風(fēng)化殼儲(chǔ)層相互連通性較差，因而地層壓力變化會(huì)比較復(fù)雜，預(yù)測(cè)地層壓力系數(shù)可能存在偏差，存在不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)井區(qū)實(shí)測(cè)地層溫度，基底平均地溫梯度4.09 ℃/100 m，本井目的層垂深3331.5～3744.5 m，預(yù)測(cè)地層溫度在136.26～153.15 ℃之間。

3.2 參考鄰井分析

3.2.1鄰井分析認(rèn)識(shí)

本井重點(diǎn)參考近期施工完成的隆平1 井，以及距離較近的另一口勘探基巖定向井隆探X3 井。通過對(duì)鄰井的井身結(jié)構(gòu)、鉆頭、鉆井液、鉆井參數(shù)、提速工具等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)各項(xiàng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，取得了多項(xiàng)認(rèn)識(shí)，見表1（表內(nèi)相關(guān)數(shù)據(jù)為2 口鄰井?dāng)?shù)據(jù)的平均值）。

表1 鄰井設(shè)計(jì)與施工情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Design and drilling data of adjacent wells

3.2.2新技術(shù)推廣應(yīng)用可行性分析

針對(duì)在鄰井中推廣應(yīng)用的鉆前地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)、復(fù)合鉆頭造斜、基巖提速鉆頭優(yōu)選、強(qiáng)化鉆井參數(shù)等新技術(shù)手段，結(jié)合實(shí)鉆資料，進(jìn)行了鉆前可行性安全分析（見表2），其中，強(qiáng)化鉆井參數(shù)存在排量過高時(shí)，循環(huán)壓耗過大壓漏地層，且超過泵的承受能力，造成設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)，但可通過軟件計(jì)算設(shè)定下限來保證提速效果，設(shè)定上限來保障施工安全［4］。最終，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示均為“適用本井”。因此，在昌探1井鉆井設(shè)計(jì)中優(yōu)選了表2 中的四項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行推廣應(yīng)用。同時(shí)，通過集成應(yīng)用鄰井實(shí)鉆效果好的優(yōu)勢(shì)技術(shù)，繪制了鉆井學(xué)習(xí)曲線，指導(dǎo)本井施工。

表2 新技術(shù)可行性評(píng)價(jià)Table 2 New technology feasibility evaluation

3.3 工程設(shè)計(jì)

3.3.1井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該井針對(duì)多個(gè)必封點(diǎn)進(jìn)行了分析，確定了井身結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 昌探1 井井身結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of Well Changtan-1

一開：表層套管下至300 m 四方臺(tái)組穩(wěn)定泥巖處，封固明水組及以上松軟地層，保護(hù)水源，安裝井控裝置，為二開施工提供安全保障。

二開：由于本井受注水開發(fā)影響，葡萄花油層（1490～1545 m）設(shè)計(jì)泥漿密度為1.50 g/cm3，營城組破裂壓力系數(shù)最低為1.40，安全窗口窄，易造成井涌、井漏，難以實(shí)現(xiàn)固井全過程的壓力平衡，頂替效率低，甚至?xí)霈F(xiàn)因漏失和井控而導(dǎo)致固井作業(yè)失敗等問題［5］。因此，將技術(shù)套管下至登二段底3374 m（營城組頂部，井斜角61.17°），封隔不同壓力層系，封住葡萄花高壓注水層，嫩江組、青山口組不穩(wěn)定泥巖，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層專打。

三開：鉆至設(shè)計(jì)井深。采用尾管＋尾管回接方式固井，保證井筒完整性［6］。設(shè)計(jì)懸掛器位于直井段2955 m（造斜點(diǎn)以上20 m）降低尾管回接施工難度。

3.3.2井眼軌道設(shè)計(jì)

本井地質(zhì)目標(biāo)為花崗巖淋濾型風(fēng)化殼和斷層破碎帶，因受斷層影響，兩個(gè)地質(zhì)目標(biāo)未在同一垂線上，所以設(shè)計(jì)為一口大斜度定向井。井眼軌道從A靶點(diǎn)進(jìn)入花崗巖體，水平段自北向南穿過第一風(fēng)化殼、第二風(fēng)化殼，在花崗巖體內(nèi)依次設(shè)計(jì)靶點(diǎn)B、靶點(diǎn)C，在花崗巖體底面終靶點(diǎn)D 結(jié)束。因此，本井采用逆推設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)井眼軌道［7］，造斜點(diǎn)2975.23 m，造斜率4.5°/30 m～5°/30 m，最大井斜角81.95°，詳細(xì)井眼軌道設(shè)計(jì)見表3。

表3 昌探1 井井眼軌道設(shè)計(jì)Table 3 Trajectory design of Well Changtan-1

3.3.3鉆井液設(shè)計(jì)

一開采用膨潤(rùn)土混漿，二開采用鉀鹽共聚物鉆井液體系、三開采用麥克巴水基鉆井液體系。針對(duì)二開葡萄花油層存在高壓注水，設(shè)計(jì)在進(jìn)入葡萄花油層前50 m，將鉆井液密度提高到1.35 g/cm3，二開鉆井液密度上限為1.50 g/cm3。

3.3.4防漏堵漏設(shè)計(jì)

在地質(zhì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，結(jié)合鄰井地震、井史、錄井、測(cè)井、壓裂等相關(guān)資料，通過裂縫/破碎帶詳細(xì)預(yù)測(cè)，給出了4 個(gè)易漏層段：A 段（3540～3733 m），B 段（3969～4079 m），C 段（4235～4327 m），D 段（4417～4700 m），并根據(jù)裂縫形態(tài)和發(fā)育特征，提前50 m采用針對(duì)性的隨鉆堵漏措施，成功防漏［8］。

由于深部地層裂縫開度分布范圍廣，以往模擬最小縫寬僅100 μm，無法實(shí)現(xiàn)全范圍封堵。本井利用金屬箔片在堿性條件下會(huì)發(fā)生腐蝕的特點(diǎn)，制作出最小縫寬僅為3 μm 的人造微裂縫，實(shí)現(xiàn)了地層裂縫寬度的全尺寸模擬，為防漏堵漏效果室內(nèi)評(píng)價(jià)提供了手段［9］。

另外，以纖維材料、納米材料、熱塑性彈性體和吸水樹脂主要材料研制的膨脹堵漏劑，粒度分布范圍更廣，可對(duì)裂縫形成有效封堵，抗溫160 ℃，承壓5 MPa，解決了常規(guī)堵漏劑反復(fù)漏失的問題［10］。

通過室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，形成了不同漏速下的堵漏配方，制定了防漏堵漏工藝技術(shù)模板和操作規(guī)程，并根據(jù)昌探1 井裂縫預(yù)測(cè)結(jié)果，制定了針對(duì)該井的堵漏措施，實(shí)現(xiàn)了堵漏作業(yè)規(guī)范化。

3.3.5鉆頭選型

本井通過井震結(jié)合的點(diǎn)—線—面一體化分析研究，詳細(xì)描述了昌探1 井的巖石可鉆性、壓力、裂縫/破碎帶等參數(shù)，為鉆頭優(yōu)選、防漏堵漏措施的制定提供理論依據(jù)［11］。

在巖石可鉆性和巖性預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，繪制了不同層段鉆頭特征圖版（刀翼、復(fù)合片尺寸等），重新又選了鉆頭序列，減少了鉆頭數(shù)量，提高了機(jī)械鉆速。其中，針對(duì)?311.2 mm 大井眼造斜段砂礫巖互層，優(yōu)選牙輪＋PDC 復(fù)合鉆頭有效解決牙輪鉆頭速度慢、PDC 鉆頭工具面不穩(wěn)的雙重矛盾［12］，提高了大井眼造斜效率，其效果與?215.9 mm 井眼基本相當(dāng)。針對(duì)基底巖石硬度大，可鉆性差，研磨性強(qiáng)，鉆井速度慢等問題，統(tǒng)計(jì)了隆探X3 井及隆平1 井鉆頭使用情況，發(fā)現(xiàn)牙輪鉆頭效果優(yōu)于PDC 和復(fù)合鉆頭，因此，選擇采用休斯的牙輪鉆頭［13］。三開基巖定向段取心難度大，優(yōu)選具有切削功能的取心鉆頭，鉆頭壽命和鉆速。風(fēng)化殼頂部碎裂巖石應(yīng)重點(diǎn)保證收獲率，花崗巖取心進(jìn)尺慢，需精確確定取心井段，保證取全取準(zhǔn)層位。設(shè)計(jì)使用SC279 取心鉆頭，該鉆頭在隆探X3 井使用效果較好，同時(shí)，為保證取全取準(zhǔn)層位及取心收獲率，每筒巖心按5 m 設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)取心8 筒。全井鉆頭優(yōu)選見表4。

表4 昌探1 井鉆頭選型Table 4 Bit design for Well Changtan-1

3.3.6鉆具組合設(shè)計(jì)

（1）造斜段鉆具組合：?311.2 mm BIT×0.3 m＋?216.0 mm LZ×8.4 m（造 斜 段1.5° 自 帶 螺扶）＋?203.0 mm MWD×13.3 m＋?203.0 mm NMDC×9.0 m＋?178.0 mm DC×54.0 m＋? 159.0 mm DC×54.0 m＋?127.0 mm HWDP×135.0 m＋?139.7 mm DP。

（2）造斜段＋穩(wěn)斜段鉆具組合：?215.9 mm BIT×0.3 m＋?172.0 mm LZ（帶1 個(gè)扶正器，0.75°/1.0°）×8.4 m＋?214.0 mm STB×1.5 m＋?172.0 mm 止回閥×1.0 m＋?172.0 mm MWD×13.3 m＋?165.0 mm NMDC×9.0 m＋?127.0 mm HWDP×27.0 m＋?127.0 mm DP×1548 m＋?139.7 mm DP。

一開保證大鉆鋌用量，控制參數(shù)，保證井眼開直；二開以后，為保證井控安全，應(yīng)配備齊全鉆具內(nèi)防噴工具；嫩四段、青二三段鉆遇斷層，注意加強(qiáng)測(cè)斜（鉆具組合加2 根無磁鉆鋌）；二開、三開為保證強(qiáng)化鉆井參數(shù)需求，鉆桿由常規(guī)的?127.0 mm 優(yōu)化為?139.7 mm；二開采用1.5°螺桿，三開采用1.0°螺桿；建議三開鉆具中加入清砂接頭，避免巖屑堆積形成巖屑床；斜井段建議采用水力振蕩器。

3.3.7摩阻扭矩分析

本井造斜段＋穩(wěn)斜段共計(jì)2006.40 m，穩(wěn)斜角81.95°，通過軟件模擬，其最大扭矩為18.13 kN·m，根據(jù)實(shí)際與理論差值約8 kN·m，預(yù)計(jì)最終扭矩為26 kN·m 左右，未超出允許極限。軟件模擬本井上提摩阻為248.1 kN，下放摩阻為186.7 kN。

3.3.8鉆井參數(shù)設(shè)計(jì)

為了大井眼造斜的順利施工，優(yōu)選鉆頭的同時(shí)，進(jìn)行了鉆井參數(shù)的強(qiáng)化，二開排量50～60 L/s，三開排量25～38 L/s，在保證井眼清潔的同時(shí)，發(fā)揮螺桿的功率，可有效提高鉆速［14］。

3.3.9固井設(shè)計(jì)

（1）表層套管：采用插入式固井。

（2）技套套管：嚴(yán)格按規(guī)定通井、洗井，維護(hù)好鉆井液性能，固井前做地層承壓試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最終的水泥漿密度，保證壓穩(wěn)，保障固井質(zhì)量；采用高效沖洗隔離液，實(shí)現(xiàn)替凈，保證固井質(zhì)量［15］。

（3）生產(chǎn)尾管：由于本井為深層天然氣井，地層承壓能力低，存在漏失風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)天然氣井井口帶壓等問題，如采用超低密度水泥漿一次性全封，即使采取井口加壓等輔助措施，仍會(huì)發(fā)生井口帶壓。因此，本井采用尾管＋尾管回接方式固井，設(shè)計(jì)懸掛器位于直井段2955 m（造斜點(diǎn)以上20 m）降低尾管回接施工難度；采用高溫防竄水泥漿體系，變排量頂替技術(shù)，保證頂替效率，提高固井質(zhì)量。

3.3.10井控設(shè)計(jì)

本井為Ⅰ類井。根據(jù)本區(qū)基巖地層壓力系數(shù)平均值（1.01）預(yù)計(jì)本井基巖地層壓力為32.99～37.08 MPa ；根據(jù)《大慶油田井控實(shí)施細(xì)則》設(shè)計(jì)采用70 MPa 封井器組合，為滿足大規(guī)模壓裂需求設(shè)計(jì)采用分體式防腐套管頭。

4 實(shí)鉆效果

昌探1 井，完鉆斜深4900.00 m，垂深3857.67 m，平均機(jī)械鉆速4.20 m/h，鉆井周期120.67 d，建井周期158.54 d，設(shè)計(jì)符合率93.5%。本井未出現(xiàn)方案設(shè)計(jì)原因?qū)е碌墓こ獭①|(zhì)量事故及井控風(fēng)險(xiǎn)。將昌探1 井按照鄰井的平均井深（4321.5 m）進(jìn)行折算，其鉆井周期為101.35 d，和鄰井平均鉆井周期（127.25 d）相比，鉆井周期縮短了20.35%，無井口帶壓現(xiàn)象。按照70 鉆機(jī)日費(fèi)15 萬元/天計(jì)算，本井和鄰井相比，平均節(jié)約成本100 萬元左右。

4.1 各開次鉆速對(duì)比

昌探1 井全井使用鉆頭31 只（其中6 只PDC 鉆頭，4 只復(fù)合鉆頭，17 只牙輪鉆頭，2 只通井牙輪，2只取心鉆頭），累計(jì)進(jìn)尺4900 m，平均鉆速4.09 m/h，單只鉆頭進(jìn)尺168.96 m，單只純鉆40.90 h。

（1）一開?444.5 mm 井眼進(jìn)尺300 m，平均機(jī)械鉆速27.27 m/h，使用PDC 鉆頭1 只。

（2）二 開?315 mm 和?311.2 mm 井 眼 進(jìn) 尺3070 m，平均機(jī)械鉆速6.26 m/h，使用PDC 鉆頭2只，牙輪鉆頭1 只，復(fù)合鉆頭2 只，通井牙輪1 只。

（3）三開?215.9 mm 井眼進(jìn)尺1530 m，平均機(jī)械鉆速2.26 m/h，使用復(fù)合鉆頭2 只，PDC 鉆頭3只，牙輪鉆頭16 只，通井牙輪1 只。

4.2 新技術(shù)推廣應(yīng)用效果

（1）鉆前地質(zhì)預(yù)測(cè)技術(shù)。本井通過鉆前綜合預(yù)測(cè)分析，一方面對(duì)井身結(jié)構(gòu)、鉆頭選型、鉆井參數(shù)等開展了針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了鉆井施工效率；另一方面根據(jù)裂縫形態(tài)和發(fā)育特征，成功預(yù)測(cè)了4 個(gè)易漏層段，施工時(shí)，提前50 m 采用針對(duì)性的隨鉆堵漏措施，降低了實(shí)鉆過程中井下漏失風(fēng)險(xiǎn)，保證了施工安全。

（2）大井眼段采用復(fù)合鉆頭造斜。本井造斜段鉆頭尺寸為?311.2 mm，由于在大井眼造斜難度大，風(fēng)險(xiǎn)高，對(duì)泵排量及返砂情況要求也較高，因此鉆進(jìn)時(shí)采用了寶石SH533 復(fù)合鉆頭，單只平均進(jìn)尺169.5 m，平均機(jī)械鉆速2.29 m/h，相比牙輪鉆頭，進(jìn)尺提高139%，鉆速提高83.2%。

（3）基底引進(jìn)進(jìn)口牙輪鉆頭。本井貝克休斯牙輪應(yīng)用情況較好，累計(jì)進(jìn)尺757.12 m，平均機(jī)械鉆速2.42 m/h，牙輪壽命穩(wěn)定，單只平均純鉆34.78 h，平均單只鉆頭進(jìn)尺84.12 m，比本井同層位使用的普通牙輪單只鉆頭進(jìn)尺多24.28 m，機(jī)械鉆速提高60.33%，實(shí)鉆效果顯示，該鉆頭對(duì)基底層花崗巖的研磨性更好。

（4）強(qiáng)化鉆井參數(shù)。本井通過強(qiáng)化鉆井參數(shù)，在設(shè)備允許的情況下，將二開排量提高至60 L/s，與常規(guī)參數(shù)相比，鉆速提高26.4%，將三開排量提高至38 L/s，同比鉆速提高74.6%。

5 結(jié)論

（1）復(fù)合鉆頭定向，是提高大井眼造斜效率的有效技術(shù)措施，建議繼續(xù)推廣應(yīng)用。

（2）強(qiáng)化鉆井參數(shù)，在保證井眼清潔的同時(shí)，充分發(fā)揮螺桿的功率，從而提高機(jī)械鉆速，是深層水平井提速的關(guān)鍵措施。

（3）針對(duì)基底硬脆性花崗巖地層，牙輪鉆頭效果優(yōu)于PDC 鉆頭和復(fù)合鉆頭。

（4）在地質(zhì)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過裂縫/破碎帶詳細(xì)預(yù)測(cè)，并根據(jù)裂縫形態(tài)和發(fā)育特征，提前50 m 采用針對(duì)性的隨鉆堵漏措施，可有效降低井漏發(fā)生的幾率。

（5）針對(duì)注水開發(fā)和營城組破裂壓力系數(shù)低造成的窄密度窗口問題，通過優(yōu)化技術(shù)套管下深，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)層專打，保障了施工安全順利進(jìn)行。

（6）對(duì)于承壓能力低的地層，采用尾管＋尾管回接方式固井，可有效防止井漏和氣竄的發(fā)生，保證固井質(zhì)量。